论文摘要：高负荷轴流压气机级的试验与数值研究

风扇与压气机是航空发动机的关键部件，提高压气机的级增压比一直是研究者们努力的目标之一，深入地研究压气机内部复杂流动结构，理解压气机的流动机理则是达到这一目的根本途径。本文的研究围绕着高负荷轴流压气机展开，从试验方法的发展、大尺寸低速模拟试验研究、压气机流场的数值模拟研究、以及新概念高负荷压气机设计等诸多方面对现代高负荷压气机研究的关键技术进行了探讨。在测量手段方面，发展了几种用于压气机内部流场测量的压力探针，其中包括三种新型的高频压力探针：圆柱单孔高频压力探针、楔顶圆柱双孔高频压力探针、锥面四孔高频压力探针。通过内嵌高频响的微型压力传感器，可以在静止坐标系下测得转子出口截面流场参数分布，对于判断转子内部流动状态和获知静子进口流场信息十分有价值。另外，针对几种传统的压力探针和热线探针，提出了新的数据处理方法，这些处理方法具有更好的适应性与更高的精度，并已经应用于全尺寸发动机的压气机流场测量中，取得了较好的效果。压气机内部流场的复杂性主要体现在强三维性、强剪切作用与强非定常性上，这会使接触式测量产生额外的系统误差。本文对于这一类误差进行了较为全面的分析，并采用数值模拟与试验结合的方式，对其中的堵塞效应和速度梯度引起的误差进行了深入研究，对于堵塞效应引起的误差，分析了风洞校准的误差并给出了定量的结果。对于速度梯度引起的误差，提出了定量的修正方法，并应用该方法对一些测量结果进行了修正，得到了更为准确可靠的结果。针对大小叶片技术这一新型的压气机气动布局，进行了全面的试验研究和数值模拟。分别在平面叶栅和低速旋转试验台上进行了试验研究，得到了大小叶片转子内部和出口流场的详细流动结构，并分析了大小叶片转子的流动特点。研究发现，大小叶片转子抗分离能力强，失速裕度大的主要机理是小叶片本身抗分离能力强的原因，这使大小叶片压气机的流量裕度较大。通过数值模拟研究了大小叶片压气机中小叶片的几何位置对压气机性能的影响，发现小叶片的周向位置对压气机性能影响不大，而其安装角对性能的影响较大，最佳小叶片位置是使小叶片中弧线与相应轴向位置的大叶片保持一致，并对小叶片前缘做适量负攻角修正。用试验结果对设计所用的Denton计算程序进行了全面的校核，发现Denton程序对于压气机整体性能的计算较为准确，而对于流场细节如泄漏流动和角区二次流动等的刻画稍差。在宏观流动上，Denton程序计算结果也有一定的偏差，根据Denton程序计算的结果，大、小叶片形成的两个气流通道流动速度有较大差异，而根据试验结果，这两个通道的流动速度是基本一致的。论文最后一章的内容是作者对两种新概念的高负荷压气机级进行的设计尝试，一个是大小叶片转子＋吸附式静子，一个是冲击式转子＋冲压式静子。前一个压气机级的设计负荷系数达到了0.75，后一个压气机级的设计负荷系数则高达1.12，都属于高负荷的压气机级。通过优化设计，大小叶片转子＋吸附式静子压气机级的最终设计压比达到2.37，效率高于0.86，基本达到设计指标，而冲击式转子＋冲压式静子的设计压比达到3.44，效率达到0.72，也接近了设计指标。这两种高负荷压气机级的设计探索，为今后进行高负荷压气机研究提供了有价值的参考。

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